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Réseautage depuis le toit
Il y a quelques semaines, Shan Sinha, étudiant diplômé du MIT, a annulé son service Internet haut débit. Maintenant, sa connexion au réseau passe par la cheminée. Depuis un ordinateur dans le salon de son appartement de Cambridge, MA, à quelques pâtés de maisons du campus du MIT, un câble passe dans la cheminée jusqu'au toit, où il est attaché à une antenne. De là, les paquets de données sautent vers une autre antenne montée sur le toit de l'appartement d'un étudiant voisin. De cette façon, de toit en toit en plusieurs sauts, les paquets de données de Sinha atteignent enfin une passerelle - un ordinateur connecté à l'Internet fixe - dans le bâtiment informatique du MIT. Nous ne pouvons pas utiliser la cheminée, dit-il, mais c'est le coût d'Internet gratuit.
La connexion de cheminée de Sinha fait partie du Roofnet du MIT, un projet visant à créer un réseau sans fil auto-organisé dans lequel une collection amorphe et non gérée d'ordinateurs Linux bon marché équipés de cartes Wi-Fi collaborent pour acheminer efficacement les paquets de données. Chaque ordinateur et antenne montée sur le toit dans les appartements des étudiants et les bâtiments du MIT est un nœud sur le réseau et la disposition dans laquelle ils sont connectés les uns aux autres - la topologie du réseau - change constamment. Nous voulons comprendre comment tout un tas d'ordinateurs avec des radios à courte portée peuvent auto-configurer un réseau, formant un ordre à partir du chaos, explique le professeur d'informatique Robert Morris, qui coordonne le projet. Le réseau compte désormais plus de 30 nœuds dans une zone de 4 kilomètres carrés entourant le campus du MIT. Nous espérons atteindre une centaine de nœuds d'ici quelques mois, dit-il.
Des groupes de recherche dans des universités telles que Carnegie Mellon, Rice, UCLA et l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, et dans des sociétés telles que Nokia, Intel et Microsoft développent des systèmes similaires. Dans chaque cas, les paquets de données sont acheminés via des nœuds géographiquement dispersés et connectés sans fil qui peuvent être fixés dans un bâtiment ou se déplacer avec un utilisateur ou un véhicule. Les applications de ces réseaux maillés dits multi-sauts incluent des systèmes pour connecter des personnes portant des PDA, des chars sur un champ de bataille ou un grand nombre de capteurs dans une usine. Et les réseaux maillés communautaires tels que Roofnet, qui sont beaucoup moins chers à déployer que les connexions DSL ou câblées, sont un moyen prometteur de surmonter la barrière du dernier kilomètre et d'apporter un accès Internet haut débit à un grand nombre de personnes, en particulier celles qui vivent dans les zones rurales. zones ou d'autres endroits où l'infrastructure pour l'accès filaire à large bande n'est pas disponible.
Des réseaux sans fil appartenant à la communauté sont apparus dans plusieurs endroits à New York, San Francisco, Seattle, Londres et d'autres villes. Ces réseaux se composent généralement de quelques stations de base interconnectées, appelées points d'accès sans fil, situées dans les fenêtres et les toits, offrant une connectivité Internet dans les espaces publics. La nouvelle génération de réseaux maillés tels que Roofnet couvre des zones plus larges et est beaucoup plus dynamique dans la façon dont ils acheminent les données. Leurs nœuds ne sont pas connectés en permanence ; au lieu de cela, ils réévaluent constamment les liens existants et en forment de nouveaux. De ce fait, les données empruntent des chemins beaucoup plus tortueux pour atteindre l'Internet fixe. Et avec des dizaines ou des centaines de nœuds - certains d'entre eux rejoignant et quittant le réseau de manière aléatoire et changeant ainsi constamment sa topologie - un problème difficile se pose : comment les données dans ces réseaux sans fil multi-sauts doivent-elles être acheminées ? Quels chemins dans ce labyrinthe d'antennes de toit et de fenêtre optimisent le flux de paquets ?
La distance compte
La plupart des protocoles de routage actuellement proposés par les chercheurs en réseaux maillés empruntent la stratégie du chemin le plus court utilisée dans l'Internet fixe. Ces protocoles essaient de trouver la route avec le moins de nœuds intermédiaires entre l'expéditeur et la destination. Pour l'Internet filaire - avec sa topologie quasi statique et ses liens fiables - ce schéma a plutôt bien fonctionné : nos e-mails sautent de routeur en routeur et atteignent l'autre bout du monde en quelques secondes.
Mais il s'avère que cette stratégie du chemin le plus court pourrait ne pas être adéquate pour envoyer des paquets par voie aérienne. Dans un réseau sans fil, selon le groupe MIT, la distance compte : plus le signal doit voyager longtemps, plus il se dégradera. De plus, la qualité de la liaison entre les nœuds varie de manière imprévisible en raison de phénomènes transitoires tels que le passage de camions, l'humidité de l'air ou un pigeon assis sur l'antenne. Le résultat est une quantité considérable de pertes de paquets, d'erreurs de transmission et de connexions qui apparaissent et disparaissent simplement tout au long de la journée. Un protocole de routage qui minimise le nombre de sauts finit par choisir des distances plus longues pour chaque saut et donc envoyer des données sur des liaisons sans fil de faible qualité.
Le groupe MIT s'est rendu compte que de nouvelles stratégies de routage étaient nécessaires lorsqu'ils ont déployé une première version de Roofnet au printemps dernier. Ils ont essayé de mettre en œuvre certains des protocoles de routage proposés discutés par l'Internet Engineering Task Force, l'organisation régissant les normes techniques d'Internet. Mais alors que ces protocoles fonctionnent bien en théorie et sont généralement testés dans des simulations informatiques ou des réseaux de laboratoire à petite échelle, ils ne prennent pas en compte de nombreux facteurs imprévisibles impliqués dans la communication radio. Les protocoles supposent généralement, par exemple, que lorsqu'un nœud peut en détecter un à proximité, il peut bien communiquer avec son voisin. Mais cela ne s'avère pas toujours vrai. Les chercheurs du MIT et d'autres groupes ont découvert que plusieurs fois, deux nœuds peuvent s'entendre en échangeant de petits paquets de sonde, mais lorsqu'ils essaient d'envoyer des données réelles, la communication s'effondre en raison d'une bande passante inadéquate. Morris et son groupe ont décidé que la meilleure façon de développer des protocoles de routage sans fil robustes était de les tester avec un vrai réseau, de vrais utilisateurs et un vrai trafic.
D'autres chercheurs sur les réseaux maillés affirment que les travaux du MIT représentent une avancée importante pour le débogage de ces schémas de routage. Leur travail repose sur la construction de systèmes réels, explique Victor Bahl, chercheur principal qui dirige le groupe de mise en réseau de Microsoft Research à Redmond, WA. La perspicacité que vous obtenez en construisant des choses est bien plus que ce que vous n'obtiendrez jamais si vous simulez simplement des choses. Démontrer qu'un tel réseau est viable dans une mise en œuvre réelle et à grande échelle, dit-il, est une étape cruciale pour attirer davantage l'attention de l'industrie sur le potentiel de la technologie.
Le déploiement d'un tel réseau est devenu possible parce que la technologie Wi-Fi est devenue si bon marché. Il y a quelques années, dit Morris, le prix des cartes sans fil aurait rendu le projet prohibitif. Chaque nœud Roofnet utilise une carte réseau sans fil 802.11b installée sur un PC bon marché exécutant Linux et le logiciel de routage. Un câble coaxial relie la carte sans fil à une antenne omnidirectionnelle. L'utilisateur connecte ensuite le PC au nœud Roofnet. Le coût total de l'équipement pour chaque nœud est de 685 $.
Pour déployer le réseau rapidement, le groupe MIT distribue gratuitement des kits d'auto-installation aux étudiants qui souhaitent participer au projet. Pour ces étudiants, faire fonctionner le nœud Roofnet fait partie du plaisir. Notre antenne a été installée par un de mes amis qui fait de l'escalade, explique Roshan Baliga, étudiant diplômé, qui vit dans un immeuble de deux étages sans accès facile au toit. Il a escaladé le côté de l'appartement pour atteindre le toit, a installé l'antenne, puis est descendu en rappel.
Les étudiants du MIT sont heureux de participer au projet, notamment parce qu'ils peuvent économiser de l'argent. Nous avons comparé une connexion par câble à large bande à Roofnet et nous n'avons pas pu faire la différence, nous avons donc annulé le câble, explique Walt Lin, responsable du MIT, qui a installé l'antenne sur son toit en pente.
Le chemin à parcourir
Avec des étudiants surfant sur le Web, téléchargeant des fichiers musicaux et travaillant sur des ensembles de problèmes sur des serveurs distants, le réseau fonctionne avec un trafic réel. Désormais, Morris et les quatre étudiants diplômés qui travaillent avec lui à plein temps sur le projet peuvent tester différentes stratégies de routage qui s'adaptent mieux à l'environnement sans fil hostile.
Leur idée pour faire face aux perturbations environnementales imprévisibles est de déterminer non seulement si deux nœuds peuvent s'entendre, mais également de mesurer leur capacité à communiquer. Au lieu de trouver le chemin le plus court entre deux nœuds, leurs protocoles essaient de trouver le meilleur chemin, celui dans lequel les paquets de données ne seront pas bloqués ou corrompus en cours de route. Cela nécessite une surveillance constante des liens. Environ une fois par seconde, chaque nœud envoie un petit paquet de diffusion Hello. Tous les autres nœuds enregistrent s'ils reçoivent cette sonde, en conservant un historique des 10 dernières sondes. Donc, si, disons, le nœud A a envoyé 10 sondes et le nœud B en a reçu 8 et le nœud C en a reçu 4, alors le logiciel de routage sait que le chemin A-B est meilleur que le chemin A-C. De plus, toutes les 15 secondes, chaque nœud envoie un message de diffusion qui répertorie les nœuds qu'il sait atteindre et la qualité de la liaison pour chaque chemin associé. De cette façon, tous les nœuds disposent d'une carte de routage complète et continuellement mise à jour de l'ensemble du réseau et connaissent les itinéraires optimaux pour se rejoindre.
En créant Roofnet, les chercheurs du MIT ont découvert de nombreuses choses auxquelles ils ne s'attendaient pas. Par exemple, la portée des cartes et des antennes 802.11b varie considérablement. Nous sommes maintenant sceptiques quant à ce que disent les fabricants, déclare John Bicket, l'un des étudiants diplômés travaillant sur le projet. Nous avons trouvé des nœuds qui ne pouvaient pas parler de l'autre côté de la rue, mais d'autres pouvaient parler à un demi-kilomètre l'un de l'autre. La cause peut être des conditions environnementales locales ou même des réflexions multiples du même signal qui s'annulent. Un autre phénomène surprenant est le manque de symétrie dans la qualité de transmission du lien : il n'est pas rare que le nœud A puisse envoyer des données au nœud B facilement, tandis que le nœud B ne peut pas rendre la pareille. De telles anomalies compliquent le développement des schémas de routage.
En déboguant et en affinant leurs schémas de routage, les chercheurs du MIT espèrent pouvoir les utiliser dans des systèmes encore plus complexes. Une telle situation serait lorsque les nœuds ne sont pas statiques sur les toits, mais se déplacent à des vitesses différentes dans toutes les directions - un scénario dans un avenir proche, car de plus en plus de personnes portent des assistants numériques personnels et les voitures commencent à être équipées d'ordinateurs. Il s'agit de régler le protocole pour qu'il puisse gérer la mobilité, explique Sanjit Biswas, un autre étudiant impliqué dans le projet.
En fin de compte, Morris dit que le groupe prévoit de publier le logiciel de routage Roofnet en tant que programme open source téléchargeable gratuitement. Cela signifie que toute personne possédant un ordinateur et une carte Wi-Fi pourrait installer le logiciel de routage et devenir un nœud du réseau. D'autres personnes dans d'autres régions pourraient également télécharger le logiciel et créer leurs propres réseaux communautaires sur les toits.
Bien sûr, de nombreux problèmes doivent encore être résolus. Premièrement, le MIT ne peut pas fournir d'accès Internet à des sociétés non affiliées au MIT ; le réseau devra donc à terme trouver d'autres passerelles vers l'Internet fixe. Mais cela soulève un autre problème compliqué : la plupart des fournisseurs de services Internet ne veulent pas que leurs utilisateurs partagent leur bande passante. De plus, la technologie de réseautage communautaire doit garantir un certain niveau de sécurité et de confidentialité. Les utilisateurs envoyant littéralement leurs données par voie aérienne, via les nœuds d'autres personnes, une sorte de cryptage sera probablement nécessaire pour éviter les écoutes clandestines. Il faut aussi garantir une utilisation juste et équilibrée du système, pour éviter qu'un seul utilisateur aspire toute la bande passante et engorge le réseau. Enfin, le système doit être suffisamment robuste pour résister à certains problèmes plus pragmatiques, tels que la formation de neige dans les antennes.
Le jour venu, que se passera-t-il ? Encore une fois, le groupe MIT veut apprendre par la pratique. On verra, dit Morris.